автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Межфазный теплообмен и аксиальная теплопроводность в виброкипящем слое

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ - УПИ

ЗЕЛЕНКСВА Юлия Оттовна

МЕЖФАЗНЫЙ ТЕПЛООБМЕН И АКСИАЛЬНАЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ В ВИБРОКИПЯЩЕМ СЛОЕ

Специальность 05.14.05 - Теоретические основы

теплотехники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На- правах рукописи

/

Екатеринбург 1994

Работа выполнена на кафедре теоретической теплотехники Уральского государственного технического университета - УПИ, г.Екатеринбург.

Научные руководители

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

- доктор физико-математических наук, профессор Г.П.ЯСНИКОВ и доктор технических наук, профессор Б.Г.САПОЖНИКОВ.

- доктор технических наук, профессор А.Ф.РЫЖКОВ; кандидат технических наук, доцент А.В.БЛИНОВ.

- Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники, г.Екатеринбург.

Защита состоится * декабря 1994 г. в часов Ж минут

на заседании специализированного совета (шифр К.063.14.09) при теплоэнергетическом факультете Уральского государственного технического университета - УПИ в ауд.

Отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью, направлять по адресу: 620002, г.Екатеринбург, К-2, ученому секретарю университета.

Автореферат разослан

Г

ноября 1994 Г.

Ученый'секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

Л.К.ВАСАНОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и цель работы. Одним из способов реализации преимуществ гетерогенных процессов тепломассообмена в дисперсных системах является виброожижение. В ряде технологических процессов, таких, например, как термическая и химико-термическая обработка частиц (диаметром порядка миллиметра и меньше) целесообразна подача нагретого газа в надслоевое пространство, поскольку интенсивное движение газовой фазы и частиц слоя в приповерхностной зоне могут обеспечить необходимую интенсивность процессов переноса. При этом возникают два сопряженных процесса - конвективный теплообмен газа с приповерхностным слоем частиц и теплоперенос вглубь слоя. Оба этих процесса в настоящее время изучены недостаточно, причем данные о теплопереносе по виброслою в■вертикальном направлении практически отсутствуют.

Целью работы является исследование теплообмена между виброкипящим слоем, образованным в вертикальном цилиндрическом сосуде, и газом, продуваемым над слоем, а также аксиального теплопереноса внутри слоя.

Работа выполнена по программе Минвуза РСФСР "Человек и окружающая среда", раздел "Исследование способов управления процессами тепло- и массообмена з дисперсных системах путем изменения гидродинамических режимов", гос. per. 01840005222.

Научная новизна. Проведены систематические исследования

теплообмена между виброкипящим слоем и продуваемым над ним газовым потоком.

• Получены новые экспериментальные данные по влиянию на этот процесс параметров вибрации, размера частиц, расхода.газа и высоты слоя.

Предложены физическая и математическая модели теплообмена между приповерхностной областью слоя и газом в надслоевом пространстве.

Разработана нестационарная методика экспериментального исследования процесса аксиального теплопереноса, на основе которой, а также известных стационарных методов получены новые

данные о величинах коэффициентов эффективной температуропроводности и теплопроводности слоя в вертикальном' направлении. Сравнение с аналогичными данными для горизонтального теплопереноса позволило выявить высокую степень анизотропности виброкипящего слоя.

л Практическая ценность и реализация работы. Совокупность экспериментальных данных по межфазному теплообмену и аксиальной теплопроводности создает научную основу для разработки инженерных методик теплового расчета виброаппаратов малотоннажных производств с горизонтальными лотками, а также вертикальных аппаратов со спиральныии лотками. 8 общенаучном плане они представляют интерес дальнейшего развития теории межфазного теплообмена и внутреннего теплопереноса в виброкипящем слое.

Результаты диссертационной работы были использованы Всероссийским научно-исследовательским институтом неорганических материалов им. академика А.А.Бочвара (г.Москва) при разработке методики теплового расчета и рекомендаций по выбору режимных параметров и конструктивных размеров вертикального виброаппарата -окислителя отработавшего топлива АЭС.

Автор защищает:

- результаты экспериментального исследования теплообмена между вйброкилящим слоем и продуваемым над ним газовым теплоносителем;

- результаты теоретического анализа межфазного теплообмена методом модельных уравнений, позволившим получить соотношение для обобщения опытных данных;

- нестационарную методику определения эффективных ' коэффициентов теплопроводности виброкипящего слоя в вертикальном направлении; /

- результаты экспериментального исследования эффективных коэффициентов теплопроводности и температуропроводности в вертикальном направлении виброкипящего слоя.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на: XI Международном Конгрессе по химической техно-

логик, химическому оборудование и автоматизации химических производств, Прага, СШвА'93¡научно-технической конференции "Вибрационные машины и технологии", Курск, 1993; IX иколе-семинаре молодых ученых и специалистов "Современные проблемы газодинамики теплообмена и пути "повышения эффективности энергетических установок", Москва, 1993; II Всероссийском семинаре по динамике пространственных и неравновесных течений жидкости и газа, Миасс, 1993; областной научно-технической конференции "Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесного комплокса", Екатеринбург, 1993; II Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук", Москва, 1994; Всероссийской межвузовской научно-практической конференции "Конверсия ' вузов -защите окружающей среды", Екатеринбург, 1994; I научно-технической конференции ФТ«> УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 1994; I Российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 1994.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 155_страни-цах, в том числе 112 страниц ' основного текста; включая 4 таблицы и 48 рисунков, список использованной литературы из 108 наименований, _43 страницы приложений, и состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ~ ИССЛЕДОВАНИЯ

Анализ исследований по межфаэному теплообмену и эффективной теплопроводности в виброкипящем. слое показал, что наиболее изученными являются теплоо6*м|н при продувании газа через слой снизу вверх и эффективая теплопроводность в горизонтальном направлении. Однако данные по теплообмену между виброкилящим слоем и продуваемым над ним газом ограничены: относятся либо к слоям из крупных частиц,' когда явление самовентиляции, которое обуславливает газообмен с надслоевым пространством, незначительно, либо имеют оценочный характер, а по эффективной теплопроводности в

е

вертикальном направлении практически отсутствуют.

В результате проведенного литературного обзора, учитывая цель исследования, были сформулированы следующие основные задачи:

1. Изучить теплообмен между виброкипящим слоем и продуваемым над ним газовым теплоносителем в широком диапазоне изменения параметров вибрации, размера частиц, высоты слоя и расхода газа.

2. Используя метод модельных уравнений, проанализировать влияние параметров вибрации на теплообмен между виброкипящим слоек и продуваемым над ним газом.

3. Дать рекомендации по обобщению опытных данных по межфазному теплообмену в виброкипящем слое.

4. Разработать нестационарную методику определения эффективной теплопроводности в вертикальном направлении вибро-кипящего слоя.

5. На основе этой' методики и известных стационарных методов экспериментально изучить влияние параметров вибрации, размера частиц и высоты слоя на эффективную теплопроводность еиброкипящего споя в вертикальном направлении.

МЕЖФАЗНЫЙ ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ ВИБРОКИПЯЩИМ СЛОЕМ И ПРОДУВАЕМЫМ НАД НИМ ГАЗОВЫМ

ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ '

В виброкипящем слое с размером частиц с1т<1 мм возникают неустановившиеся движения дисперсной среды, обусловленные взаимодействием газа и частиц. В'эти движения вовлекаются и массы газа, расположенные над слоем, в результате чего происходит "самовентиляция слоя". В условиях стабильной подачи газового теплоносителя над слоем и постоянного отвода тепла из него процесс межфазного теплообмена. в среднем является стационарным, поэтому для определения коэффициента теплоотдачи можно использовать уравнение Ньютона-Рихмана. /

Исследование теплообмена проводились в цилиндрическом сосуде из, оргстекла с внутренним диаметром 100 и высотой 240 мм, в который загружался сыпучий.материал - электрокорунд узких фракций

с размером частиц 0,0?, 0,16, 0,32, 0,03 и 1,25 мм. Высота слоя HQ

составляла SO, 120, 160 и 200 мм. Сосуд жестко крепился к стол/

вибростенда, который создавал вертикально направленные колебания с

частотой f от 30 до 60 Гц и амплитудой А- до 2 мм. При этом

2

относительное ускорение вибрации К=Л#« /дне превышало 15.

Через надслоевую камеру высотой 40 мм продувался предварительно нагретый воздух. Расход воздуха изменялся от 0,5 до

3

1,1 м /ч. Крышка и боковая стенка сосуда были теплоизолированы, а

дно (нижняя граница слоя) охлаждалось проточной аодой. В опытах

измерялись объемный расход воздуха V , его температура в

в

надслоевой камере t , изменение температуры воздуха St при в в

прохождении через камеру, а также температура в верхней части слоя

и нескольких горизонтальных сечениях по его высоте. В опытах

использовались медьконстантановые термопары.

Зондирование температуры с помощью подвижной и закрепленных

термопар (в последнем случае каждая представляет собой батарею из

трах термопар) по высоте виброкипящего слоя показало наличие

разности тзмператур на границе газовый поток-поверхность слоя

небольшой без градиентное, зоны в верхней части и заметного

градиента температур в ядре слоя.

Сложный неустановившийся характер движения частиц и газовой

фазы а приповерхностной зоне не позволил установить конкретный вид

распределения температуры в этой области и точно определить ее

размеры. Поэтому коэффициент теплоотдачи а относился к разности

температур At=t'-t_ и рассчитывался на единицу площади поперечного в 0

сечения камеры'(зеркала слоя), представляя таким образом некоторую эффективную величину, удобную для инженерных расчетов.

Результаты экспериментального исследования теплообмена между виброкипящим слоем и продуваемым над ним газом

Влияние расхода газа и.амплитуды вибрации. Установлено, что с увеличением расхода газа "коэффициент теплоотдачи от потока к виб-рокипящему слою мелких частиц (dT<0,15 мм) оставался практически неизменным. Такой характер изменения опытных кривых обусловлен тем, что вследствие подачи газа в надслоевую камеру виброслой

находится под наддувом. Поэтому с ростом расхода газа давление в надслоевой камере возрастает, а это приводит к снижению пульсаций скорости газовых потоков, ответственных за межфазный теплообмен, а следовательно, и к уменьшению коэффициентов а. В слое крупных частиц роль газовой среды значительно меньше, отсюда и слабое влияние расхода газа на теплообмен.

Известно, что с ростом амплитуды вибрации пульсации скорости газовой фазы в виброкипящем слое при прочих равных условиях возрастают (Усенко Ю.А.), поэтому независимо от частоты вибрации, размера частиц ч высоты засылки наблюдается монотонное увеличение коэффициентов теплоотдачи (рис.1), причем темп роста коэффициентов и сильно -ависел от размера частиц, уменьшаясь при переходе ~ к слоям из частиц большего диаметра.

Влияние размера частиц. Оно обусловлено тем, что от размера

частиц (при ¿т<1 км) в большей степени, чем от других факторов,

зависит уровень взаимодействия газовой и твердой фаз, определяющий

особенности и интенсивность процессов, протекающих в вибрирующих

засыпках. В слое мелких частиц.(0^=0,07 мм и 0,16 мм) вследствие

высокого гидравлического сопротивления виброожижение достигается

за. счет неустановившейся фильтрации газа, выраженной в меньшей

степени для частиц диаметром 0,16 мм. Поэтому для слоя частиц

0,07,мм высотой 120 мм (рис.2) быстро развивается фонтанирующий

режим, который при достаточно больших амплитудах сопровождается

выбросами материала в надслоевое пространство, в результате чего

2

коэффициенты а достигали 950 Вт/м К (кривая 3). Уменьшение коэффициента теплоотдачи с увеличением размера частиц связано с последовательным переходом от фонтанирующего режима к еибровзвешенному, так как эта смена режимов приводит к уменьшению подвижности фаз и снижению процессов переноса. В слоях высотой Hq>120 мм или при более высокой частоте вибрации кривые a=f(t¡T) проходят через максимум, так как в этих условиях наибольшая интенсивность движения дисперсной среды с учетом того, что слой находится под наддувом, достигается при больших размерах частиц.

Влияние частоты вибрации и высоты слоя. Оба фактора объеди-

500 :400 300 200 100 : о

Т й Н0 (рис.3)

нявт то, что их комбинацией определяется наличие резонансных явлений в слос, которыми объясняются немонотонные зависимости динамических и тепломассо-обмеиных характеристик слоя (Рыжков,Колпаков). Незначител ь-ное влияние

объясняется тем, что в области исследования интервалов высот и частот (Н0=>20-200мм,Г=30-60ГЦ)

Рис.1.Зависимость коэффициен- реализовались зарезонансные ре-

та теплоотдачи а от амплитуды ви- » _

ж < .л - жимы виброожижения.Вместе с тем,

брации А, 1=А0 Гц; Н0=1б0 мм: '

1-йт=0,07 м«;2-0,16;3-0,32;4-0,63 наблюдаемое повышение коэффи-1 циентов а при перзходе к слою

высотой 200 мм (рис.3) можно объяснить тем, что в нем образуется малоподвижное ядро с .пороэностыо неподвижной засыпки, а виброожижению подвергается в основном приповерхностная* область с высокой интенсивностью движения дисперсной среды.

х.

_1_

0,3 0,7 1,1 1,5 1,9 А,мм

Моделирование теплообмена между виброкипяадим споем и проду-»)

ваемым над ним газом. Результаты экспериментального исследования распределения температуры по высоте виброкипящего слоя и данные о влиянии различных факторов на коэффициент теплоотдачи были использованы при моделировании теплообмена.

Перенос тепла в приповерхностной зоне слоя моделируется диффузией броуновских осцилляторов, "транспортирующих температуру" как пассивную примесь. В Лэынерционном приближении уравнения

движения осциллятора имеет вид

• 2

2С* ♦ » I 5 ( 1

(1)

8 диссертации получили дальнейшее развитие модельные представления и методы работы: Эффективная температуропроводность вибро-ожиженного слоя /Н.П.Ширяева, Б.Г.Сапожников, В.С.Белоусов. Г.П.Ясников //Инж.-физич.журнал. 1990.Т.58,»4.0.610-818.

0,4 (¿г, ым

Рис.2. Зависимость коэффициента а от размера частиц а , Н =120 мм; V =0,9 м /ч; ^40 Гц: 1-А=0,5мм: 2-1,2; 3-2,0^=50 Гц:4-А=0,5мм; 5-1,2:6-1,5

Ю

Здесь кроме сил сопротивления 2£г,

2

упругого воздействия газа иг и случайной силы воздействия на частицу со стороны окружения 1 учтена сила тяжести д.

Распределение осцилляторов (1) вдоль вертикальной оси г' описывается стационарным уравнением Фок-кера-Планка

А

а г

имеющим стоков)

Г + к{Вег] = (2)

решение (при отсутствии

(3)

где С может быть найдено из условий нормировки.

Поскольку концентрация осцилляторов также подчиняется 13), то для

плотности теплового потока можно записать закон Фурье в виде

Ч = V

-ф(2)СЯ

31'

(4)

где ф(г) представляет собой выражение в квадратных скобках (3). Величина Х^ - феноменологический коэффициент, учитывающий теплообмен частицы при движении по случайной траектории и характеризующий теплопроводность однородного слоя.

Из (4) следует стационарное уравнение теплопроводности

|-(е-^) - 0, г- аг аг

(5)

решение которого при заданных Температурах на поверхности ^ » границе с безградиентной зоной приводит к плотности тепловогс потока на поверхности слоя

а = а (К»1) ,Г.„°..........С6>

«хр[Ь(К+1>)-1'

V 6-д

гле ^"йо' ь=гсо'

ВтЛ&К

400 .300 200 100

Комбинация (б) и закона Ньютона дает выражение для

q=o(td-tQ) коэффициента теплообмена iK+1)2

в я а*

ехр[Ь(К+1)-1]'

(7)

30

J-

-1-1---L_

40 50 f ,Гц i

80 120

7&F

Но'

ж

Рис.3. Зависимость коэффициента а от частоты вибрации 1 (сплошные линии, Н0=80 мм) и высоты слоя Нд (штриховые линии, 1=40 Гц), Й =0,16 мм: 1,1*-А=0,5 мм;

2Тг'-0,8; 3,3,2

где а=^к.

8 выражении (7) учтен недогрев частиц до температуры газа при их выходе на поверхности с помощью функции, которая в первом приближении принимается зависящей линейно от К: 16-10^х(К+1 )(г8-г0), где х=Г(<*т).

' Анализ теоретических и экспери-

ментальных данных, обобщение результатов исследования.Ввиду отсут-

ствия надежных данных о коэффициентах диффузии О и сопротивлении С выражение (7) использовалось для аппроксимации экспериментальных данных. Значения а и Ь определялись методом, наименьших квадратов. Отношение а/Ь=6/(Х0х) характеризует термическое сопротивление участка приповерхностной области. На основе этого соотношения проведена оценка величины удовлетворительно согласующаяся с экспериментальными данными. Достигнутая точность аппроксимации позволяет рекомендовать (7) для обработки экспериментальных данных по теплообмену между аиброкипящим слоем и продуваемым над ним газом. В частности, на основании (7) получена следующая обобщенная зависимость: _

а(К*1 Г

ехрСО.ОЗЗ* а(К+1)«d°'22]-1

(8)

где а=6,83«с) . Здесь d - а м», коэффициент- а имеет размерность

2 т т ■ Вт/м • К.

Проведено сравнение опытных данных с результатами исследований по межфазному теплообмену а лсеадоожиженном слое. Показано, что если использовать в качестве определяющей среднюю скорость газовых потоков (Усенко H.A.), возникающих а виброкипящем слое, то для оценочных расчетов искомых коэффициентов теплоотдачи

можно применять известные критериальные уравнения, полученные для псевдоожиженного слоя. По результатам проведенных экспериментов получено обобщенное эмпирическое уравнение, справедливое' для зарезонансных режимов.

АКСИАЛЬНАЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ в ВИБРОКИПЯЩЕМ СЛОЕ При исследовании эффективной теплопроводности в вертикальном направлении применялись стационарная и нестационарная методики. В первом случав изучение аксиальной теплопроводности совмещалось с

опытным определением коэффициентов теплоотдачи от газового

«

теплоносителя к свободной поверхности виброкилящего слоя, так как измерения температуры проводились не только в верхней ча-ти засыпки, но и в нескольких горизонтальных сечениях на различных расстояниях от нижней границы. Расчет коэффициентов X

вер

проводился по формуле для плоской стенки, в которой градиент температуры относился к центральной части слоя. В сипу этого среднеквадратичная погрешность определения коэффициентов *вер лежала в пределах 8-34Х. '

В качестве нестационарного использовался метод плоского мгновенного теплового импульса. В этом случае предварительно нагретая порция исходного сыпучего материала быстро высыпалась на поверхность виброкилящего слоя. Исследования проводились в том же цилиндрическом сосуде диаметром 100 и высотой 240 мм. Продувка газа над слоем отсутствовала, а его нижняя граница, как и боковые стенки, были теплоизолированными. Частота вибрации в опытах составляла 40 Гц, амплитуда - 0,5, 0,в, 1,2 мм, высота слоя - 160 и 200 мм, размер частиц - 0,1?, 0,32, 0,63 и 1,25 мм. Датчиком температуры служила батарея из трех медьконстантановых термопар, расположенная в горизонтальном сечении на расстоянии 60 мм от верхней границы слоя. Ее показания регистрировались самопишущим потенциометром КСЛ-4. В качестве примера на рис.4 приведена одна

изгполученных термограим, на которой видны пульсационные изменения

■ .. / ■ / " ■ -температуры в слое. Аналогичные пульсации температуры наблюдались

1 - опытная кривая

2 - па уравнен*« ___

И е

Рис.-4.Термограмма отклика на импульсное возмущение, полученная с помощью батареи из 3 термопар, расположенных в горизонтальном сечении на расстоянии 60 мм от верхней границы слоя, Н =200 мм, 6 =0,16 мм, ^40 ГЦ( Л=0,8 мм, (1 =20 мм! I =20°С, I =80 С

и в опытах с псевдоожиженным слоем. Появление пиков на термограммах обусловлено существованием конвективных движений фаз. 8 этих условиях естественно речь может идти только об эффективной теплопроводности.

Для обработки экспериментальных данных использовалось решение задачи теплопроводности стержня конечной длины, один конец которого находится а контакте с нагретым телом (рис.5) с заданной теплоемкостью и малым термическим сопротивлением (последнее оправдано наличием в верхней части слоя безградиентной зоны),

дв д_в К аЕ2'

0<2<1,

(9)

2 ' О

т г' _- о 3 ■

Ь' ■ * -г '

10 о

Яо *

эф .2 '

.1-0: ^ дг

г=и

- г'

г=о

-5® .

= о;

дг\г=1

т Н

(Ю)

Ро-0:

о<г<1; &-0;

(И)

77Ш

Чо

Асимптотика преобразования Лапласа задачи (9)-(11) позволила выделить область регулярного теплового режима

2а т

1п(9-е )=--- + const. (12)

® »2

Рис.5.К выводу уравнения (12)

В опытах по нестационарной методике толщина теплового источника была равна 20 мм, так как согласно экспериментальным данным размеры безградиентной зоны составляли 15-20 мм. Чтобы обеспечить регулярный 'режим, обработке подвергались участки термограмм при достаточно больших т, при этом пульсации температуры слоя были наименьшими. Опытные кривые 1 аппроксимировались экспонентами 2 и обрабатывались стандартными методами. При этом искомый коэффициент температуропроводности определялся по

темпу охлаждения 2а

вер

<W

(13)

в совпадала с ее

ю..

Среднеквадратичная погрешность для коэффициента аввр составляла 8-24%.

Правильность аппроксимации термограмм (рисМ) экслонентой подтверждена расчетами, согласно которым

V* .

значением, рассчитанным по уравнению теплового баланса, практически во всех опытах.

Результаты экспериментального исследования аксиальной теплопроводности. Поскольку в настоящее время неизвестно, каким

образом параметры вибрации (амплитуда и частота) и размеры частиц влияют на формирование конвективных движений, оценить их вклад в теплоперенос не представляется возможным.

Поэтому удобно в первую очередь проанализировать зависимость эффективного коэффициента . теплопроводности от относительногс ускорения вибрации К и ограничиться качественным анализом. Установлено, что с ростом К наблюдается, как правило, увеличение

ш

коэффициентов Хвер (рис.в). Однако механизмы внутреннего

теплопереноса, приводящие к возрастанию X , различны в

вер

зависимости от условий. В слое мелких частиц высотой 120 мм

возрастание *вер обусловлено интенсификацией диффузионных

процессов (вибровэвешенный режим); а с увеличением высоты (при

HQ>160 мм) - формированием крупномасштабных циркуляционных

контуров, особенно значительных в слое высотой 200 мм. При этом

коэффициент Х0ар достигал величины ~ Ю00 Вт/м*К. В средне- и

крупнозернистых засыпках увеличение X происходит в основном за

вер

счет интенсификации циркуляционного движения дисперсной среды.

Однако при переходе виброподвижного режима в вибровэвешенный и

поршневой крупномасштабные конвективные токи разрушаются. В этих

условиях возрастание коэффициента X было значительно меньше.

вер

Обнаружение закономерности для коэффициентов X

вер

подтверждаются и данными, полученными по нестационарной методике

(см. таблицу). Так как опыты проводились при Н^>160 мм,то преобла-

Эффективные коэффициенты температуропроводности , и теплопроводности в вертикальном направлении виброкипящего слоя (f=40f4)

к п/п d , т мм А, мм 4 а • 10 , вер MVC X вер Вт/м-К Хвер' Вт/м-К (стац. метод) 4 a >io-, вер . 2, м /с X вер Вт/м-К X вер Вт/м»К (стац. метод)

Н0=1в0 мм Н0»200 ММ

1 2 3 0,16 0,5 0,8 5,2 3,44 - 3,57 3,66 532 557 570 418 297 3,10 5,7 2,1 480 890 330 390 540

4 5. в 0,32 0,5 о,а 1,2 3,39 2,64 2,67 528 412 416 " 85 78 128 4,51 4,60 3,67 702 716 572 190 225 581

7 в 9 0,63 0,5 О.в 1,2 4,55 4,26 4,22 706 664 656 236 454 310 4,36 4,70 4,08 686 791 578 349 411 317

* -

уточненные данные

дал конвективный механизм внутреннего теплопереноса, наглядным подтверждением чего является пульсационный характер термограмм

Лвер.Вт/м-К

800

(рис.4). Поэтому коэффициенты X___ в слоях иэ крупных

вер

частиц были больше, чем в мелко- и среднедисперсных засыпках. Кроме того, по сравнению с аналогичными данными, полученными по стационарной, методике, они выше, так как роль случайных факторов в исследованиях методом мгновенного теплового импульса больше.

Показано, что более

Рис.6,Зависимость коэффициента аксиальной теплопроводности X от относительного ускорения еи§£а-ции К: J-d =0,32 мм, f=40 Гц, Н =160 мм; 2-0,32, 50, 160; 3-0,16, 40, 200; 4-0,32, 40, 200

высокие коэффициенты X в в.ер

12 К

псевдоожиженном слое по

сравнению с виброкипящии

обусловлены дополнительным

механизмом внутреннего те-

•плопереноса в' вертикальном

направлении, связанным с тем, что за поднимающимися пузырями

тянете* шлейф из частиц материала. В частности, в свободном

псевдоожиженном слое коэффициент а при числах псевдоожижения

_4 2 ввр

№=3-12 составлял (10-30)-10 м /с (данные Бородули В.А.), в тс

время

а

вер

как в еиброкипящем слое (см.таблицу) при К=3,2-1С

= (2,1-5,8)-10~\«2/с. Анизотропность виброкипящего слоя.

ней можно судить,

сравнивая эффективные коэффициенты теплопроводности (темперагу-

с

ропроводности) в горизонтальном и вертикальном направления;

(рис.7). Сравнение показывает, что в сопоставимых условия:

(Нд=160-200 мм, 1=40-50 Гц, йт=0,07-1,25 мм) 1вер е 3-5 раз выше

чем '. Более высокие коэффициенты теплопроводности I

гор

вертикальном направлении обусловлены значительными конвективным! токами, менее выраженными в горизонтальном направлении. Роль и; возрастает в слоях большей высоты, в которых коэффициенты X

(например, при Нд=200 мм) могут

на порядок превышать значения

X В таком же соотношении

гор.

находятся и коэффициенты температуропроводности в вертикальном и горизонтальном направлениях. Например, из таблицы видно, что -4 2

а =(2,1-5,8)*10 м /с, а соглас-вер

но данным Тамарина А.И.,

-4

Кальтмана И.П.,а =(2-3)*10 м/с.

Рис.7. Зависимость коэффициента от амплитуды вибрации А: l-d !8?07 мм, f=45 Гц, Н =60 мм; Í—оТ16, 45, 60; 3-0,18, 50, 60 !по данным Н.П.Ширяевой);4-0,47, 10, 70 (по данным Е.Д.Зайцева); >-0,07, 40, 120; 6-0,63, 40, 120; f-0:16, 40, 200; 8-0,32, 40, 200

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Методом зондирования получены данные о характере заспределения температуры по высоте виброкипящего слоя при «агревании газовым теплоносителем, продуваемым над его юверхностью, и охлаждении нижней границы слоя, подтвердившие :уществование термических сопротивлений теплоотдачи со стороны ютока газа и теплопроводности в самом виброслое, выделена ■рани.чащая с приповерхностной зоной область слоя, ' где градиент температуры практически отсутствует.

2. Предложена методика определения коэффициента теплоотдачи (ежду зиброкилящим слоем и продуваемым над. ним газом, основанная «а применении гзкона Ньютона-Рихмана. Показано, что ввиду ¡ложности процесса межфазного теплообмена в приповерхностной >бласти с целью упрощения инженерных расчетов удобнее использовать >ффективный коэффициент теплоотдачи, отнесенный к единице площади юверхности зеркала слоя и разности температур между газовым

потоком и беэградиентной зоной.

3. Проведены систематические исследования теплообмена между виброкипящим слоем и продуваемым над ним газом. Изучено влияние на теплообмен расхода газового теплоносителя, параметров вибрации, размера частиц и высоты слоя. Установлено, что с увеличением расхода газа коэффициент теплоотдачи к слою мелких частиц несколько уменьшается, а к слою крупных - остается практически неизменным. Установлено, что при зарезонансных режимах изменение частоты вибрации и высоты слоя мало влияют на интенсивность теплообмена. Показано, что в этих условиях основную роль в интенсификации теплоотдачи играют амплитуда вибрации и размер частиц.

4. Обнаружен монотонный характер увеличения коэффициентов

теплоотдачи с ростом амплитуды вибрации, что обусловлено

возрастанием интенсивности движения неустановившихся потоков газа

и дисперсной среды, возникающих в виброкипящем слое и

способствующих газообмену с надслоевым пространством. К увеличению

теплоотдачи приводит и уменьшение размера частиц, причем в

мелкодисперсных засыпках при образовании виброфонтанирующего

режима, сопровождающегося выбросами материала в надслоевое

пространство, коэффициенты теплоотдачи достигали высоких значений 2

~ 950 Вт/м-К. При условиях, когда фонтанирующий режим не

наблюдался (Н >160 мм, f>40 Гц), зависимость aid ) имела максимум.

О т

5. Методом модельных уравнений, используя результаты экспериментальных исследований, проведено моделирование теплообмена между виброкипящим слоем й продуваемым над ним газом. Полученное решение удовлетворительно совпадает с экспериментальными данными, что позволяет рекомендовать его для их обработки.

в. На основании анализа экспериментальных и теоретических данных и сравнения их с результатами исследования межфазного теплообмена при подаче газа через виброкипящий или псевдоожижениый слой предложены обобщающие зависимости для определения коэффициентов теплоотдачи между виброкипящим слоем и продуваемым над ним газовым потоком.

7. Проведен анализ стационарной и нестационарной методик сследования аксиальной теплопроводности в виброкипящем слое, бнзружено, что опытные термограммы, полученные методом гновенного распределенного теплового импульса, имеют ульсационный характер. Появление пиков на термограккв объясняется ем, что перемещение нагретых частиц в аксиальном направлении роисходит не чисто диффузионным путем, а осложняется онвективными токами дисперсной' среды.

8. Для обработки опытных термограмм предложен эффективный етод, основанный на решении нестационарной задачи еллопроводности, учитывающей наличие в приповерхностной области иброкипящего слоя безградиентной зоны, который в асимптотическом |ри6лижвнии (при больших т) описывает регулярный тепловой режим.

9. Получены опытные данные по аксиальным коэффициентам

еплопроводности и температуропроводности в виброкипящем слое при

(аэличных параметрах вибрации, размерах частиц и высотах слоя.

■оказано, что характер зависимости коэффициентов , I (К)

вер

шределяется соотношением между диффузионным и конвективным

■еханизмами переноса тепла. При режимах, когда доминирующим был

:онвективный теплолеренос, коэффициент X достигал величин

.. вер

' 1000 Вт/м»К, в пртивном случав, когда основным был диффузионный

«еханизм, увеличение коэффициента Я было менее значительным.

вер

1олученные результаты в сравнении с известными данными по )ффективной' теплопроводности в горизонтальном направлении :вмдетельствуют_о существенной анизотропности виброкипящего слоя.

10.' Результаты по межфазному теплообмену и аксиальной теплопроводности были использованы при разработке методики теплового расчета и рекомендаций по выбору режимных параметров и конструктивных размеров вертикального виброаппарата - окислителя отработавшего топлива АЭС.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: '

1. Зеленкова Ю.О. Межфаэный теплообмен в виброожиженном слое сыпучего материала//Современные проблемы газодинамики и твпломас-

сообмена vi пути повышения эффективности энергетических установок: Тез.докл. IX школы-семинара молодых ученых и специалистов. М., 1993. С.46-47.

2. Зеленкоеа Ю.О., Сапожников Б.Г. Воздействие вибрации на теплотехнологические процессы в сыпучих материалах //Вибрационные машины и технологии: Сб.научн.тр. Курск, 1993. Вып.2. С.144-150.

3. Зеленкоеа Ю.О., Сапожников Б.Г., Новиков С.В. Межфазный .теплообмен, обусловленный самовентиляцией виброкипящего слоя

//Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесного комплекса: Тез.докл.научн.конф. Екатеринбург, 1993. С.126-127.

4. Зеленкоеа Ю.О., Сапожников Б.Г., Ширяева К.П. Теплофизические свойства сыпучих материалов, подверженных вибрационному воздействию //I научн.-техн. конф. «>тф уГТу-упи. Екатеринбург, 1994. С.43.

5. Зеленкоеа И.О., Сапожников Б.Г., Ширяева Н.П. Межфаэный теплообмен и эффективная теплопроводность в виброаппарате-утилизаторе отработавшего мелкозернистого топлива АЭС //Конверсия вузов защите окружающей среды: Тез.докл. Всероссийской межвузовской науч.-практич.конф. Екатеринбург, 1994.С.136

6. Исследование процессов внутреннего теплопереноса в сыпучи) материалах, подверженных вибрационному воздействию /ю.О.Зеленкоеа Б.Г.Сапожников, Н.П.Ширяева,. Г.П.Ясников. Екатеринбург, 1994. Дел в ВИНИТИ, »1571.

7. A.c. 1770445 СССР. Котел /В.Ю.Шувалов, С.С.Руденко Ю.О.Зеленкоеа, П.В.Степанов. »4Ö15515; Заявп. 17.09.90; Опубл 30,11.92. БЮЛ.fe44.

8. (.Зеленкоеа Ю.О., Сапожников Б.Г., Ширяева Н.П. Межфазны теплообмен и аксиальная теплопроводность в виброподвижном ело сыпучего материала при ^ продувании над ним газового теплоноситег //Г Российская национальная конференция по теплообмену. Дислерснь потоки и пористые среды. Москва,* 1994.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

A-амплитуда вибрации, мм; а ,а -эффективные коэффициенты тем-

гор вер

пературопроводности в горизонтальном и вертикальном направлениях, '2 • 2

м /с; D-коэффициент диффузии, м /с; d -средний диаметр частиц, мм;

т 2 f-частота вибрации, Гц; д-ускорение силы тяжести, м/с ; Н-высота

2

насыпного слоя, мм; К=Аш /g-относительное ускорение вибрации;

m-темп охлаждения 1/с; Q-тепловой лоток. Вт; t -температура

о о 3

воздуха в надслоевой камере, С; t-температура, С; V -объемный

3 0

расход воздуха, м /ч; z-координата в вертикальном направлении, мм;

a-коэффициент теплоотдачи между виброкилящим слоем и продуваемым

2

над ним газовым теплоносителем, 8т/м 'К; ó-участок активной зоны, на котором завершается межфазный теплообмен; e-избыточная температур» слоя; X ,Х -эффективные коэффициенты теплопроводности roo вер

в горизонтальном и вертикальном направлениях, Вт/м'К; ег~плотность рапределания осцилляторов по высоте; т-время, с; ш-угловая скорость вибрации, 1/с.

Подписано в печать 21.11.94 Формат 60x84 1/16

Бумага типографская - Шгосяая начать Уел.а.л. 1,16

Уч.-изд.л. 0,95 Тираж.100 Заказ 626 Бесплатно

Редакционно-иэдательскиЗ отдел УГТУ-УПИ 620002, Екатеринбург, УГГУ-УПИ, 8-й учебный корпус Ротапринт УПУ-УПИ. 620002, Екатеринбург, УГГУ-УПИ, 8-5 уч.корпус